Результаты экспериментальных исследований бесприводного ротационного рабочего органа

Экспериментальная машина КМПО–2,8 с экспериментальными бесприводными ротационными рабочими органами пассивного действия [139,143] предназначена для обработки легких по механическому составу почв с устранением эффекта уплотнения почвы по следу движителей. Содержит плоскорежущие лапы, бесприводной ротационный рабочий орган с равномерно расположенными по периферии диска пальцами и в зависимости от комплектации может быть снабжена прикатывающими катками или грядообразователем.

Агрегат выполняет за один проход несколько технологических операций (глубокое подрезание почвенного пласта, рыхление, измельчение верхних слоев почвы, выравнивание поверхности поля и нарезка гребней под посадку картофеля) и тем самым снижается трудоемкость процесса, уменьшаются сроки проведения обработки, снижается расход топлива, достигается высокое качество обработки почвы. Главной особенностью данного агрегата является то, что он обеспечивает равномерный фракционный состав и плотность почвы по всей ширине захвата орудия.

Рисунок 4.11 – Рабочие органы комбинированной машины для предпосадочной обработки почвы (патент)

Машина представляет собой рамную конструкцию, на которую закреплены все рабочие органы: плоскорежущие лапы, барабанно-пальцевые измельчители, прикатывающий каток (грядообразователи или пружинные долотообразные боронки в зависимости от почвенных условий).

На основе теоретических исследований и анализа литературных источников [4,39,86] определены основные факторы, влияющие на технологический процесс обработки почвы рабочими органами пассивного действия: скорость поступательного движения агрегата; число пальцев барабана; длина пальцев; угол наклона диска барабана.

В качестве плана эксперимента выбран план для трех факторов Бокса-Бенкина [115], матрица планирования которого представлена в таблице 4.2. При 3-х факторах план предполагает проведение 15 опытов, в том числе 3 в центре эксперимента. Выбор данного плана связан с тем, что его матрица содержит минимальное количество опытов (N=15). Однако такое малое количество экспериментов не влияет на получение точной информации об объекте исследования.

Таблица 4.5 - Матрица плана эксперимента (Бокса-Бенкина) для трех факторов в кодированном виде

N	Х1	Х2	Х3
	-1	-1
	-1
			-1
	-1
		-1	-1
		-1

 

Коэффициенты регрессии

, (4.22)

где - переменная, характеризующая объект исследования; -i-ый фактор; k- число факторов; - коэффициенты регрессии; j - номер фактора, отличный от i.

Параметры отклика: У₁ - качество крошения почвенных комков;

На основании реализации плана и обработки результатов эксперимента получена зависимость равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы от изменения параметров и режимов работы бесприводного ротационного рабочего органа: угла наклона оси вращения секции - α; поступательной скорости движения – V_П; глубины обработки - а.

Рассчитаем среднюю статистическую ошибку.

Таблица 4.6 – Проверка условия точности плана эксперимента

 

№ опыта	Значение фактора	Yп	Yср	е=Yср-Yп	|e/y|*100%
X1, (м/с)	X2, (градусы)	X3, (м)
			0,2	86,5992		-2,5992	3,09%
	1,2		0,2	79,2928		-2,2928	2,98%
			0,2	81,2192		-4,2192	5,48%
	1,2		0,2	82,0008		4,9992	5,75%
			0,25	86,2069		3,7931	4,21%
	1,2		0,15	81,4403		-2,4403	3,09%
			0,15	83,0327		-1,0327	1,26%
	1,2		0,25	81,2745		-4,2745	5,55%
	1,6		0,25	80,4683		-5,4683	7,29%
	1,6		0,15	74,9201		2,0799	2,70%
	1,6		0,15	77,6281		-2,6281	3,50%
	1,6		0,25	75,0883		1,9117	2,48%
	1,6		0,2	87,3156		-1,3156	1,53%
	1,6		0,2	87,3156		3,6844	4,05%
	1,6		0,2	87,3156		-5,3156	6,48%
						Сумма:	59,45%

Средняя относительная ошибка по реализации плана эксперимента

(4.23)

В среднем расчетные значения () плана эксперимента отличаются от фактических значений на 3,96%. Условие точности плана эксперимента выполнено, т.к. средняя относительная ошибка не превышает 5%.

Проверка условия адекватности плана экспермента. Для того, чтобы модель была адекватна исследуемому процессу, ряд остатков e(t) должен обладать свойствами случайности, независимости последовательных уровней, нормальности распределения.

Проверка случайности уровней. Проверку случайности проводим на основе критерия поворотных точек. Для этого каждый уровень ряда E(t) сравниваем с двумя соседними. Если он больше (либо меньше) обоих соседних уровней, то точка считается поворотной и для этой строки ставится 1, в противном случае в ставится 0. В первой и последней строке табл. ставится прочерк или иной знак, так как у этого уровня нет двух соседних уровней.

Таблица 4.7 – Проверка условия адекватности плана экспермента.

 

№ опыта	E(t)	Поворотная точка		E(t)-E(t-1)
	-2,5992	-	6,7558
	-2,2928		5,2569	0,3064	0,0939
	-4,2192		17,8016	-1,9264	3,7110
	4,9992		24,9920	9,2184	84,9789
5	3,7931		14,3878	-1,2061	1,4546
6	-2,4403		5,9549	-6,2334	38,8553
7	-1,0327		1,0664	1,4076	1,9813
8	-4,2745		18,2711	-3,2418	10,5093
	-5,4683		29,9020	-1,1938	1,4252
	2,0799		4,3261	7,5482	56,9753
	-2,6281		6,9068	-4,7080	22,1653
	1,9117		3,6547	4,5398	20,6098
13	-1,3156		1,7308	-3,2273	10,4156
14	3,6844		13,5748	5,0000	25,0000
15	-5,3156	-	28,2556	-9,0000	81,0000
Сумма:			182,8375		359,1755

Общее число поворотных точек равно р = 11. Рассчитаем значение q:

(4.24)

Функция int означает, что от полученного значения берется только целая часть. При N = 15

(4.25)

Если количество поворотных точек р больше q, то условие случайности уровней выполнено. В нашем случае р = 11, q = 5, значит условие случайности уровней ряда остатков выполнено.

Проверка независимости уровней ряда остатков (отсутствия автокорреляции) проводим по d-критерию Дарбина-Уотсона;

(4.26)

Полученное (или уточненное) значение d сравниваем с табличными значениями d₁ и d₂. [1] Для нашего случая d₁ =1,08, а d₂=1,36.

В нашем случае d₂<d<2, следовательно, уровни ряда остатков являются независимыми.

Проверка соответствия ряда остатков нормальному распределению определяем по RS-критерию. Рассчитаем значение RS:

(4.27)

где Е_max - максимальное значение уровней ряда остатков E(t); E_min - минимальное значение уровней ряда остатков E(t); S - среднее квадратическое отклонение.

Е_max=4,9992, E_min=-5,4683,

Е_max-E_min=4,9992 - (-5,4683) = 10,4675;

(4.28)

(4.29)

Полученное значение RS сравнивают с табличными значениями, которые зависят от количества точек N и уровня значимости. Для N=15 и 5%-го уровня значимости значение RS для нормального распределения должно находиться в интервале от 2,8 до 4,01.

Так как 2,8 < 2,9 < 4,01, полученное значение RS попало в заданный интервал. Значит, уровни ряда остатков подчиняются нормальному распределению. Таким образом, модель достоверно описывает процесс обработки почвы экспериментальным орудием и является адекватной в заданных пределах варьирования исследуемых факторов.

Полученная модель объекта исследования имеет вид:

(4.30)

Степень влияния каждого из факторов и их взаимодействий проведено на основе ранжирования коэффициентов уравнения регрессии (рис.4.12)

Рисунок 4.12. – Степень влияния факторов

Угол наклона секции барабана оказывает большее влияние на значение однородности фракционного состава почвы. Вариация этого параметра при равных прочих условиях обеспечивает необходимое качество крошения почвы, что подтверждает правильность выбора варьируемых факторов при планировании многофакторного эксперимента. Результаты обработки полученного уравнения регрессии представлены в таблице 4.8.

Таблица 4.8 – Результаты обработки уравнения регрессии

№ п/п	Наименование величины	Значение
	Коэффициент кореляции	0,77023
	Среднеквадратичный коэффициент кореляции	0,59325
	Максимальная ошибка	6,41634
	Среднестатистическое отклонение	2,81683

 

На основе анализа уравнения (4.8) регрессии построены поверхности отклика (рис. 4.13, 4.14), с целью определения влияния исследуемых параметров на однородность фракционного состава.

 

(4.31)

 

Рисунок 4.13 – Поверхность отклика равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы от угла установки оси вращения секции бесприводного ротационного рабочего органа и глубины обработки при

(4.32)

 

Рисунок 4.14 – Поверхность отклика равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы от поступательной скорости агрегата и глубины обработки при

 

Установлено, что равномерность фракционного состава обработанного слоя почвы возрастает с увеличением угла установки оси вращения секции бесприводного ротационного рабочего органа до значения ^о. Диапазоны значений угла установки секций и глубины обработки, при которых равномерность фракционного состава слоя почвы находится в агротехнических пределах W≥90%, находятся в следующих пределах градусов и метра.

 

(4.33)

Рисунок 4.15 – Поверхность отклика равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы от поступательной скорости агрегата и угла установки оси вращения секции бесприводного ротационного рабочего органа при

 

С увеличением рабочей скорости агрегата (рис.4.13) наблюдается рост равномерности фракционного состава обработанного слоя почвы, при этом агротехнически качественная обработка достигается при м/с. Это объясняется тем, что с увеличением поступательной скорости МТА растёт окружная скорость секций бесприводных ротационных рабочих органов, что обеспечивает более тщательное крошение почвенных комков и глыб по следу движителей трактора.

Также установлено, что при глубине обработки м зависимость имеет условный экстремум. Падение зависимости при обработке почвы на глубину более 22 см объясняется тем, что конструкция дополнительных ротационных измельчителей не позволяет тщательно проработать более глубокие промежуточные между пальцами секций слои почвы, что и приводит к повышению доли крупной фракции в этих зонах и тем самым к снижению однородности фракционного состава обработанного слоя почвы.

Таким образом из полученных зависимостей видно, что наиболее рациональными параметрами для бесприводного ротационного рабочего органа являются: угол наклона секции рабочего органа в пределах 22 < α < 31^о, поступательная скорость агрегата должна быть V > 1,8 м/с, необходимые значения однородности фракционного состава в обрабатываемом слое почвы в пределах 0,17 < a < 0,26 м..